ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 124-127
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9
ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИИ РЕАКТОР С ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННЫМ РАЗРЯДОМ
© 2014 г. Н. В. Исаев, И. Л. Клыков, В. В. Песков, Е. Г. Шустин, И. В. Визгалов*, В. А. Курнаев*
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Россия, 141190, Фрязино Московской обл., пл. Введенского, 1 * Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 25.04.2013 г.
Разработана опытно-технологическая установка, реализующая новый тип плазмохимического реактора на базе пучково-плазменного разряда. Описаны особенности конструкции установки. Отдельно описана разработка одной из наиболее важных частей реактора — инжектора электронов. Проведены испытания и измерены основные характеристики разработанной установки. Представлены технологические особенности обработки (травление, напыление) непроводящих структур.
БО1: 10.7868/80032816214010145
В работах [1—4] предложена и исследована возможность создания нового типа плазмохимического реактора, использующего в качестве источника плазмы пучково-плазменный разряд (п.п.р.) при слабом или нулевом магнитном поле в рабочей камере. Проведенные исследования показали, что такой реактор обладает явными преимуществами при решении задач получения и обработки наноразмерных пленок и структур по сравнению с традиционно используемыми в промышленных установках в.ч.- и с.в.ч.-разрядами.
Возможность точного регулирования средней энергии потока ионов, воздействующих на обрабатываемую поверхность, в диапазоне 10—100 эВ обеспечивает обработку поверхности (травление или осаждение пленок) с минимальной плотностью радиационных дефектов. Низкая скорость травления по сравнению с традиционными установками является преимуществом при травлении материалов до толщин, сравнимых с атомными размерами, так как позволяет точно и воспроизводимо определять длительность процесса. Благодаря бесстолкновительному механизму нагрева электронов в п.п.р. рабочий диапазон давлений плазмообразующего газа оказывается на 12 порядков ниже, чем в реакторах на в.ч.-разряде, что обеспечивает не только малый разброс ионов по энергиям, но и высокую анизотропию потока ионов, а следовательно, и процесса травления.
Здесь представлены характеристики опытно-технологической установки, реализующей описанный тип реактора. В настоящее время установка используется для опытов по напылению наноразмерных алмазоподобных пленок, травлению монокристаллов графита до атомных тол-
щин. Она может служить прототипом при разработке промышленной установки.
Схема опытно-технологической установки приведена на рис. 1. Установка имеет следующие узлы: систему генерации плазмы, содержащую вакуумную камеру, электронную пушку, трубку перепада давления и блок магнитных катушек; систему создания и поддержки рабочей среды, куда входят форвакуумный насос НВР-16Д, турбомолекуляр-ный насос ТМН-500, вакуумметры ВИТ-3 и регуляторы расхода газа Bronkhorts EL-FLOW F-200CV и MKS Instruments; блок питания — это источники импульсного высокого напряжения для пушки и источники постоянного напряжения для накала
Откачка
Рис. 1. Схема установки. 1 — электронный инжектор; 2 — фокусирующие катушки; 3 — вакуумная камера; 4 — блоки питания для управления потенциалами коллектора и подложки; 5 — анализатор энергии ионов; 6 — держатель подложки; 7 — коллектор разряда; 8 — модулирующее кольцо.
Рис. 2. Вид электронной пушки в разрезе. 1 — катод; 2 — фланец с электрическими вводами; 3 — анод пушки; 4 — пере-падная трубка; 5 — водяное охлаждение; 6 — дистанционные кольца; 7 — труба в области катода; 8 — выходной фланец; 9, 10 — фланцы для откачки и подключения вакуумного датчика соответственно.
катода пушки, питания магнитных катушек и вакуумной аппаратуры.
Плазма формируется в вакуумной камере цилиндрической формы объемом 20 л. Камера выполнена из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т с использованием элементов стандартного вакуумного поста УСУ-6 и специально разработанных для данной установки узлов. Рабочая камера снабжена системой прогрева до T ~ 150°С для обезгаживания ее стенок.
В камере размещен держатель подложки, обеспечивающий возможность подогрева подложки размерами 1 х 1 см до температуры 1000°С и подачи на нее напряжения относительно корпуса камеры до 100 В. Все фланцевые соединения установки в ее высоковакуумной части выполнены в стандарте Confiât. Остаточное давление при откачке непрогретой камеры в течение 2 ч составляет 1.5 • 10-6 Торр в рабочем объеме и 1.5 • 10-7 Торр — в объеме пушки.
Для получения требуемых режимов п.п.р. в технологической установке необходимо инжектировать в рабочий объем пучок электронов с заданными параметрами. Для этого был сконструирован инжектор электронов типа Пирса, конструкция которого (рис. 2) позволяет использовать его в установке с плазмой и с малым или отсутствующим магнитным полем в рабочей камере, а также достаточно просто заменять основные элементы.
В конструкции инжектора предусмотрено использование плоского катода из гексаборида лантана (LaB6) с косвенным накалом [5], который в отличие от плазменных катодов [6, 7], используе-
мых в технологических установках, относительно прост в изготовлении и не критичен к давлению газа в требуемом диапазоне.
Жесткость конструкции при сборке обеспечивается закреплением основных элементов инжектора на фланце с сильноточными электрическими вводами и на аноде инжектора, фиксирующемся в трубке перепада давления. Все элементы в области катода изготовлены из молибдена. В конструкции инжектора предусмотрено использование сменных дистанционных колец, при помощи которых можно менять расстояние между катодом и анодом и тем самым регулировать первеанс инжектора.
Так как данный электронный инжектор предназначен для работы в экспериментальной технологической установке, в которой катод подвергается ионному распылению, его конструкция, в отличие от аналогов, применяемых в с.в.ч.-при-борах, предусматривает возможность достаточно простой периодической замены катода.
Компьютерное моделирование распределения электронов в пушке с помощью кода КАРАТ [8] (см. рис. 3) позволило определить параметры пучка (коэффициент токопрохождения; уровень радиальных пульсаций).
В модели заданы реальная геометрия инжектора и следующие параметры: ток эмиссии 0.5 А, ускоряющее напряжение 2 кВ, диаметр катода 1 см.
В результате моделирования были подобраны оптимальная конфигурация магнитного поля и уровень радиальных пульсаций пучка, позволившие получить максимальный коэффициент токопрохождения, который составил 98%. По вы-
126
ИСАЕВ и др.
г, см
г, см
Рис. 3. Результат моделирования: распределение электронов в области инжектора при оптимальных конфигурации и напряженности магнитного поля (#0№ах = 400 Э).
бранной конфигурации рассчитаны геометрия и токи катушек.
Были проведены испытания системы на остаточном вакууме и в режиме пучково-плазменного разряда в рабочем объеме. Характеристики инжектора электронов при остаточном давлении в камере: мощность накала до 100 Вт; ток эмиссии до 0.5 А при ускоряющем напряжении 2 кВ, диаметр пучка на входе в камеру 1—1.5 см; коэффициент прохождения ~90%.
Получены устойчивые режимы п.п.р. при параметрах режима, близких к описанным в [2—4]. По полученным зондовым характеристикам был определен потенциал плазмы, рассчитаны температура и плотность электронов. Характерные величины для разряда в аргоне при нулевом потенциале коллектора приведены в таблице, вид функции распределения потока ионов по энергиям — на рис. 4.
Для компенсации заряда ионного потока, падающего на непроводящую поверхность диэлектрической или полупроводниковой подложки в режимах травления и напыления, часто используется высокочастотная модуляция потенциала держателя подложки [9, 10]. В [4] предложен альтернативный способ управления плавающим потенциалом поверхности электроизолированной структуры — модуляцией потенциала плазмы с помощью подачи на коллектор пульсирующего потенциала. Так как плотность потока ионов и плавающий потенциал изолированной поверхности явно зависят от потенциала коллектора, при модуляции этого потенциала переменным сигналом с периодом, близким к характерному времени зарядки поверхности, будет происходить периодическая нейтрализация заряда на поверхности. Для этого режима разработан и изготовлен специальный модулятор.
/, отн. ед.
Ж, эВ
Рис. 4. Функция распределения потока ионов по энергиям при различных потенциалах на коллекторе и при нулевом магнитном поле в камере. Кривые 1-8 соответствуют потенциалам коллектора 20, 30, ..., 90 В.
Модулятор обеспечивает генерацию импульсного напряжения с амплитудой 50—150 В при токе нагрузки <1 А в диапазоне рабочих частот (регулируемых задающим генератором) 100—400 кГц. Генерируемые импульсы на активной нагрузке имеют фронт 50—75 нс и спад 150—250 нс. Модулятор может работать при скважности >2.
В [3] продемонстрированы результаты применения лабораторного макета этого реактора для бездефектного анизотропного травления поверхности полупроводниковых и диэлектрических структур
Бездефектное травление — не единственная задача, решаемая в разработанном плазмохимиче-ском реакторе на базе пучково-плазменного разряда. В [11] был предложен и испытан для напыления в реакторе алмазоподобных пленок специальный режим п.п.р., названный нами "отражательным п.п.р.".
Положение зонда от центра камеры, см ир, В Те, эВ пе, 1010 см-3
6 7.5 6 0.3
5 9 4.5 0.4
4 8 3.5 2.8
3 10 4.5 3
2 9 4.5 6.2
Примечание: ир — плавающий потенциал плазмы; Те — электронная температура; пе — концентрация электронов.
В этих экспериментах в качестве коллектора разряда использовался диск, на который подается потенциал катода. Таким образом, коллектор являлся мишенью, распыляемой потоком ионов из разряда с энергией до 2 кэВ. В экспериментах по напылению алмазоподобных пленок ^ЬС) коллектором служил диск из графита, соответственно поступившие в область разряда атомы углерода частично ионизовались и попадали на подложку вместе с ионами аргона
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.